Bài học

Sulfuric acid và muối sulfate

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em phân biệt được tính chất của $H_2SO_4$ loãng (acid mạnh thông thường) với $H_2SO_4$ đặc (tính oxi hóa mạnh, tính háo nước), và nhận biết được ion sulfate bằng thuốc thử $BaCl_2$ .

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước đã cho $SO_2$ là nguyên liệu chính sản xuất $H_2SO_4$ trong công nghiệp (qua $SO_3$ ). Em cũng cần nhớ dãy hoạt động hóa học kim loại và tính chất chung của acid mạnh (phản ứng kim loại, base, oxide base, muối carbonate) đã học từ những năm trước.

Bài trước đã cho $SO_2$ là nguyên liệu chính sản xuất $H_2SO_4$ trong công nghiệp (qua $SO_3$). Em cũng cần nhớ dãy hoạt động hóa học kim loại và tính chất chung của acid mạnh (phản ứng kim loại, base, oxide base, muối carbonate) đã học từ những năm trước.

Khởi động

Quy tắc an toàn phòng thí nghiệm luôn nhắc: khi pha loãng $H_2SO_4$ đặc, PHẢI rót từ từ acid vào nước, tuyệt đối không làm ngược lại. Vì sao thứ tự này lại quan trọng đến mức trở thành quy tắc an toàn bắt buộc?

Kiến thức trọng tâm

$H_2SO_4$ loãng hành xử như một acid mạnh hai nấc điển hình: phản ứng với kim loại đứng trước hydrogen giải phóng khí $H_2$ ( $Fe + H_2SO_4(loãng) \to FeSO_4 + H_2\uparrow$ ), phản ứng với base tạo muối và nước, phản ứng với oxide base tạo muối và nước, phản ứng với muối carbonate giải phóng khí $CO_2$ ( $CaCO_3 + H_2SO_4(loãng) \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$ ).

$H_2SO_4$ đặc hành xử hoàn toàn khác — mang hai tính chất đặc trưng không có ở dạng loãng. Tính oxi hóa mạnh: oxi hóa được cả kim loại đứng sau hydrogen như $Cu$ , không giải phóng khí $H_2$ mà giải phóng khí $SO_2$ (bản thân $S$ trong $H_2SO_4$ bị khử từ $+6$ xuống $+4$ ): $Cu + 2H_2SO_4(đặc, t^\circ) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$ . Tính háo nước: $H_2SO_4$ đặc hút nước rất mạnh, có thể lấy đi thành phần $H$ , $O$ (theo tỉ lệ nước) trong một số hợp chất hữu cơ. Ví dụ kinh điển: rưới $H_2SO_4$ đặc lên đường sucrose ( $C_{12}H_{22}O_{11}$ ), acid hút hết nước hóa học có trong phân tử đường, để lại khối carbon đen xốp, đồng thời phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm khối carbon phồng trào ra khỏi cốc. Chính vì tính háo nước cực mạnh này mà khi pha loãng, PHẢI rót từ từ acid đặc vào nước (chứ không làm ngược lại): nếu rót nước vào acid đặc, nước tiếp xúc bề mặt sẽ bị acid hút và tỏa nhiệt cục bộ cực lớn ngay tại điểm tiếp xúc, làm nước sôi bùng và bắn tung tóe acid đặc nguy hiểm; rót acid vào nước (thể tích nước lớn hơn hẳn) giúp nhiệt tỏa ra được nước hấp thu và phân tán ngay, an toàn hơn nhiều.

Muối sulfate: đa số tan trong nước, trừ $BaSO_4$ và $CaSO_4$ (ít tan/không tan). Phép thử đặc trưng nhận biết ion $SO_4^{2-}$ là dùng dung dịch $BaCl_2$ : tạo kết tủa trắng $BaSO_4$ không tan trong acid loãng dư — đặc điểm "không tan trong acid" giúp phân biệt sulfate với sulfite/carbonate (tạo kết tủa với $BaCl_2$ nhưng kết tủa đó lại TAN khi thêm acid loãng dư do giải phóng khí $SO_2$ / $CO_2$ ): $Na_2SO_4 + BaCl_2 \to BaSO_4\downarrow + 2NaCl$ .

Sản xuất công nghiệp: $H_2SO_4$ được sản xuất theo phương pháp tiếp xúc (contact process), gồm ba giai đoạn nối tiếp — đúng chuỗi đã ôn ở bài trước: đốt $S$ (hoặc quặng pyrite $FeS_2$ ) tạo $SO_2$ ; oxi hóa $SO_2$ thành $SO_3$ với xúc tác $V_2O_5$ ở nhiệt độ và áp suất thích hợp (áp dụng đúng nguyên lý Le Chatelier của Chương 1 để chọn điều kiện tối ưu); rồi hấp thụ $SO_3$ vào $H_2SO_4$ đặc (chứ không hấp thụ trực tiếp vào nước, vì phản ứng tỏa nhiệt quá mạnh gây bắn acid) tạo oleum, sau đó pha loãng oleum bằng nước theo tỉ lệ thích hợp để thu $H_2SO_4$ đặc thương phẩm. $H_2SO_4$ là hóa chất công nghiệp được sản xuất với sản lượng lớn nhất thế giới, dùng chủ yếu để sản xuất phân bón (superphosphate, ammonium sulfate), làm chất điện phân trong bình ắc quy chì-acid, và trong nhiều quy trình hóa chất khác.

**$H_2SO_4$ loãng** hành xử như một acid mạnh hai nấc điển hình: phản ứng với kim loại đứng trước hydrogen giải phóng khí $H_2$ ($Fe + H_2SO_4(loãng) \to FeSO_4 + H_2\uparrow$), phản ứng với base tạo muối và nước, phản ứng với oxide base tạo muối và nước, phản ứng với muối carbonate giải phóng khí $CO_2$ ($CaCO_3 + H_2SO_4(loãng) \to CaSO_4 + CO_2\uparrow + H_2O$). **$H_2SO_4$ đặc** hành xử hoàn toàn khác — mang hai tính chất đặc trưng không có ở dạng loãng. **Tính oxi hóa mạnh**: oxi hóa được cả kim loại đứng sau hydrogen như $Cu$, không giải phóng khí $H_2$ mà giải phóng khí $SO_2$ (bản thân $S$ trong $H_2SO_4$ bị khử từ $+6$ xuống $+4$): $Cu + 2H_2SO_4(đặc, t^\circ) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. **Tính háo nước**: $H_2SO_4$ đặc hút nước rất mạnh, có thể lấy đi thành phần $H$, $O$ (theo tỉ lệ nước) trong một số hợp chất hữu cơ. Ví dụ kinh điển: rưới $H_2SO_4$ đặc lên đường sucrose ($C_{12}H_{22}O_{11}$), acid hút hết nước hóa học có trong phân tử đường, để lại khối carbon đen xốp, đồng thời phản ứng tỏa nhiệt mạnh làm khối carbon phồng trào ra khỏi cốc. Chính vì tính háo nước cực mạnh này mà khi pha loãng, PHẢI rót từ từ acid đặc vào nước (chứ không làm ngược lại): nếu rót nước vào acid đặc, nước tiếp xúc bề mặt sẽ bị acid hút và tỏa nhiệt cục bộ cực lớn ngay tại điểm tiếp xúc, làm nước sôi bùng và bắn tung tóe acid đặc nguy hiểm; rót acid vào nước (thể tích nước lớn hơn hẳn) giúp nhiệt tỏa ra được nước hấp thu và phân tán ngay, an toàn hơn nhiều. **Muối sulfate**: đa số tan trong nước, trừ $BaSO_4$ và $CaSO_4$ (ít tan/không tan). Phép thử đặc trưng nhận biết ion $SO_4^{2-}$ là dùng dung dịch $BaCl_2$: tạo kết tủa trắng $BaSO_4$ không tan trong acid loãng dư — đặc điểm "không tan trong acid" giúp phân biệt sulfate với sulfite/carbonate (tạo kết tủa với $BaCl_2$ nhưng kết tủa đó lại TAN khi thêm acid loãng dư do giải phóng khí $SO_2$/$CO_2$): $Na_2SO_4 + BaCl_2 \to BaSO_4\downarrow + 2NaCl$. **Sản xuất công nghiệp**: $H_2SO_4$ được sản xuất theo phương pháp tiếp xúc (contact process), gồm ba giai đoạn nối tiếp — đúng chuỗi đã ôn ở bài trước: đốt $S$ (hoặc quặng pyrite $FeS_2$) tạo $SO_2$; oxi hóa $SO_2$ thành $SO_3$ với xúc tác $V_2O_5$ ở nhiệt độ và áp suất thích hợp (áp dụng đúng nguyên lý Le Chatelier của Chương 1 để chọn điều kiện tối ưu); rồi hấp thụ $SO_3$ vào $H_2SO_4$ đặc (chứ không hấp thụ trực tiếp vào nước, vì phản ứng tỏa nhiệt quá mạnh gây bắn acid) tạo oleum, sau đó pha loãng oleum bằng nước theo tỉ lệ thích hợp để thu $H_2SO_4$ đặc thương phẩm. $H_2SO_4$ là hóa chất công nghiệp được sản xuất với sản lượng lớn nhất thế giới, dùng chủ yếu để sản xuất phân bón (superphosphate, ammonium sulfate), làm chất điện phân trong bình ắc quy chì-acid, và trong nhiều quy trình hóa chất khác.

Ví dụ

So sánh phản ứng của

H_2SO_4

loãng và đặc với cùng một kim loạiSo sánh phản ứng của $H_2SO_4$ loãng và đặc với cùng một kim loại

1
Cho $Cu$ lần lượt tác dụng với dung dịch $H_2SO_4$ loãng dư và $H_2SO_4$ đặc, nóng, dư. So sánh hiện tượng và viết phương trình (nếu có) cho mỗi trường hợp.
Cho $Cu$ lần lượt tác dụng với dung dịch $H_2SO_4$ loãng dư và $H_2SO_4$ đặc, nóng, dư. So sánh hiện tượng và viết phương trình (nếu có) cho mỗi trường hợp.
2
$Cu$ đứng sau $H$ trong dãy hoạt động hóa học nên KHÔNG phản ứng với $H_2SO_4$ loãng — không có hiện tượng gì, không có khí thoát ra.
$Cu$ đứng sau $H$ trong dãy hoạt động hóa học nên KHÔNG phản ứng với $H_2SO_4$ loãng — không có hiện tượng gì, không có khí thoát ra.
3
$H_2SO_4$ đặc có tính oxi hóa mạnh, oxi hóa được cả $Cu$ : $Cu + 2H_2SO_4(đặc, t^\circ) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$ . Hiện tượng: $Cu$ tan dần, dung dịch chuyển xanh lam (do $Cu^{2+}$ ), có khí mùi hắc ( $SO_2$ ) thoát ra.
$H_2SO_4$ đặc có tính oxi hóa mạnh, oxi hóa được cả $Cu$: $Cu + 2H_2SO_4(đặc, t^\circ) \to CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O$. Hiện tượng: $Cu$ tan dần, dung dịch chuyển xanh lam (do $Cu^{2+}$), có khí mùi hắc ($SO_2$) thoát ra.
4
Cùng một kim loại nhưng phản ứng hoàn toàn khác nhau tùy $H_2SO_4$ loãng hay đặc — đây chính là bằng chứng rõ ràng nhất phân biệt hai dạng của cùng một acid.
Cùng một kim loại nhưng phản ứng hoàn toàn khác nhau tùy $H_2SO_4$ loãng hay đặc — đây chính là bằng chứng rõ ràng nhất phân biệt hai dạng của cùng một acid.

Ví dụ

Nhận biết dung dịch chứa ion sulfate — dạng thi

1
Có ba dung dịch mất nhãn: $Na_2SO_4$ , $Na_2CO_3$ , $NaCl$ . Đề xuất một quy trình chỉ dùng dung dịch $BaCl_2$ và dung dịch $HCl$ để nhận biết cả ba.
Có ba dung dịch mất nhãn: $Na_2SO_4$, $Na_2CO_3$, $NaCl$. Đề xuất một quy trình chỉ dùng dung dịch $BaCl_2$ và dung dịch $HCl$ để nhận biết cả ba.
2
Nhỏ dung dịch $BaCl_2$ vào từng mẫu thử. Hai mẫu xuất hiện kết tủa trắng là $Na_2SO_4$ (tạo $BaSO_4\downarrow$ ) và $Na_2CO_3$ (tạo $BaCO_3\downarrow$ ); mẫu không có hiện tượng gì là $NaCl$ (vì $BaCl_2$ không phản ứng với $NaCl$ ).
Nhỏ dung dịch $BaCl_2$ vào từng mẫu thử. Hai mẫu xuất hiện kết tủa trắng là $Na_2SO_4$ (tạo $BaSO_4\downarrow$) và $Na_2CO_3$ (tạo $BaCO_3\downarrow$); mẫu không có hiện tượng gì là $NaCl$ (vì $BaCl_2$ không phản ứng với $NaCl$).
3
Nhỏ dung dịch $HCl$ dư vào hai kết tủa vừa thu được. Kết tủa nào tan ra kèm sủi bọt khí là $BaCO_3$ (từ mẫu $Na_2CO_3$ ): $BaCO_3 + 2HCl \to BaCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O$ . Kết tủa nào KHÔNG tan là $BaSO_4$ (từ mẫu $Na_2SO_4$ ) — đây chính là đặc điểm phân biệt then chốt.
Nhỏ dung dịch $HCl$ dư vào hai kết tủa vừa thu được. Kết tủa nào tan ra kèm sủi bọt khí là $BaCO_3$ (từ mẫu $Na_2CO_3$): $BaCO_3 + 2HCl \to BaCl_2 + CO_2\uparrow + H_2O$. Kết tủa nào KHÔNG tan là $BaSO_4$ (từ mẫu $Na_2SO_4$) — đây chính là đặc điểm phân biệt then chốt.
4
Vậy: mẫu không hiện tượng với $BaCl_2$ là $NaCl$ ; mẫu tạo kết tủa tan trong $HCl$ (có sủi bọt) là $Na_2CO_3$ ; mẫu tạo kết tủa KHÔNG tan trong $HCl$ là $Na_2SO_4$ .
Vậy: mẫu không hiện tượng với $BaCl_2$ là $NaCl$; mẫu tạo kết tủa tan trong $HCl$ (có sủi bọt) là $Na_2CO_3$; mẫu tạo kết tủa KHÔNG tan trong $HCl$ là $Na_2SO_4$.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay quên bước thử bằng $HCl$ sau khi có kết tủa trắng với $BaCl_2$ , kết luận vội mọi kết tủa trắng đều là sulfate — SAI, vì $BaCO_3$ và $BaSO_3$ cũng là kết tủa trắng nhưng tan trong acid loãng, khác hẳn $BaSO_4$ không tan.

Học sinh hay quên bước thử bằng $HCl$ sau khi có kết tủa trắng với $BaCl_2$, kết luận vội mọi kết tủa trắng đều là sulfate — SAI, vì $BaCO_3$ và $BaSO_3$ cũng là kết tủa trắng nhưng tan trong acid loãng, khác hẳn $BaSO_4$ không tan.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$H_2SO_4$ loãng: acid mạnh thông thường. $H_2SO_4$ đặc: oxi hóa cả kim loại yếu (→ SO2, không H2), háo nước (than hóa đường); pha loãng phải rót acid vào nước. Nhận biết $SO_4^{2-}$ : $BaCl_2$ → kết tủa trắng KHÔNG tan trong acid loãng (phân biệt với $CO_3^{2-}$ / $SO_3^{2-}$ tan, sủi bọt khí). Sản xuất công nghiệp theo phương pháp tiếp xúc: $S \to SO_2 \to SO_3$ (xúc tác $V_2O_5$ ) $\to$ oleum $\to H_2SO_4$ .

$H_2SO_4$ loãng: acid mạnh thông thường. $H_2SO_4$ đặc: oxi hóa cả kim loại yếu (→ SO2, không H2), háo nước (than hóa đường); pha loãng phải rót acid vào nước. Nhận biết $SO_4^{2-}$: $BaCl_2$ → kết tủa trắng KHÔNG tan trong acid loãng (phân biệt với $CO_3^{2-}$/$SO_3^{2-}$ tan, sủi bọt khí). Sản xuất công nghiệp theo phương pháp tiếp xúc: $S \to SO_2 \to SO_3$ (xúc tác $V_2O_5$) $\to$ oleum $\to H_2SO_4$.

Chương tiếp theo bắt đầu mảng hữu cơ — phần lớn nhất của chương trình lớp 11 — ôn lại ngôn ngữ nền tảng: phân tích nguyên tố, công thức phân tử, đồng đẳng và đồng phân.